基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统设计文档格式.docx
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1绪论
研究的目的和意义
随着社会经济的进展，汽车保有量的增加，汽车尾气带来的城市交通污染对人体产生的健康危害已引发人们普遍的关注。
大量的实验研究和流行病学研究说明，汽车尾气不仅能够造成人体呼吸系统炎症、哮喘、眼部刺激及中毒等急性反映，更重要的是汽车尾气（主若是颗粒物）对人体能够造成慢性毒性效应，尤其是以柴油为燃料的机动车排放的颗粒物，因其表面吸附的芳香族化合物及其衍生物、有毒有害重金属对人体的呼吸系统、免疫系统、生殖系统产生慢性毒性，尤其是其致突变、致癌效应，给人体健康带来不可逆转的危害【1】。
同时，大量汽车尾气污染物的排放也给整个地球环境造成了不小的危害，例如汽车排放尾气中的大量CO2确实是直接造成全世界温室效应的全然元凶之一。
要减少汽车尾气污染物对人体和环境的危害，第一必需做好检测工作。
用机动车尾气分析仪测定车辆排气污染物的浓度，目的是操纵排气污染物的扩散，使其限定在被许诺的范围内，以达到爱惜生态环境和自然界生态平稳的目的。
同时，汽车发动机所排出的污染物成份和浓度与发动机的技术状况紧密相关，因此通过对发动机的排气污染物进行检测，可评判发动机的技术状况，专门是燃油供给系统和点火系统的技术状况。
如何保证抽测数据的准确性，政府出台了各类政策、法规和方法，其中各级环境监测部门所进行的尾气抽测工作充分利用抽测数据，对数据进行分析、整理、汇总、统计，找出规律，为汽车尾气防治治理工作提供科学依据，是一项超级成心义的工作。
为贯彻《中华人民共和国环境爱惜法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，操纵发动机排气污染物对环境的污染，和配合当前我国机动车行业的产业结构调整和企业认证，国家要求各机动车生产企业必需增强对发动机污染物排放量的检测和操纵。
由此企业必需配备相应的检测仪器。
但由于整套“机动车尾气排放检测系统”在国内要紧依托入口国外同类系统，可是价钱昂贵，而且难以取得快速及时地售后技术支持，这严峻增加了中小企业负担，限制了该方法的推行和应用。
面对这种现状，研制出适合我国国情的机动车尾气检测系统是加速推行环保标准、增进经济可持续快速健康进展的关键问题之一。
“机动车尾气红外检测系统的研究”的研究课题正是在此背景下产生的。
本课题利用非分光红外技术检测机动车尾气中CO和CO2的浓度，从而为机动车尾气的排放污染物操纵提供有力的保障，以达到提升人们的健康水平，减少环境污染和爱惜生态环境的目的。
研究的现状
国际上在机动车尾气检测方面的进展概况
对汽车排放污染物的治理，是世界性的环保课题。
它推动了汽车工业的革命：
同时带动了燃料、净化技术及监测仪器等相关产业的进展。
经常使用的气体分析方式有：
电化学法；
电气法，如热导式和半导体式；
色谱法（层析法）：
光学吸收法（红外吸收法和紫外吸收法）等。
与其它方式相较，红外光学吸收式仪器的优势是精度和灵敏度高，响应速度快，测量范围大，选择性、稳固性和靠得住性好，能够快速和持续检测。
因此受到各国重视，取得普遍应用【2】。
1938年世界上第一台红外气体分析仪问世。
在50年代，以费因格格夫和勒夫特为代表研制出了有选择性的光声气体检测器，使不分光型红外气体分析仪技术趋于成熟。
到60年代，红外技术在军事上的应用不断扩大，高灵敏度的红外探测器的研究蓬勃进展起来，红外干涉滤光片制造技术也日趋完善，促使以红外探测器为接收元件的分析仪以其独特的特点迅速进展起来。
从70年代开始，美、英、德等国一些厂家生产出多组分红外线气体分析仪。
最初的产品采纳光谱响应宽的半导体红外探测器和有许多不同波长滤光片的切光轮结合，设计成时刻多光束系统。
有代表性的产品是Kent公司生产的IR500型红外气体分析仪。
这种仪器尽管能实现多组分分析，可是测量对象的吸收灵敏度不能相差太大，选择性也不够好。
70年代末到80年代，气体滤波相关技术用于多组分分析，极大地提高了分析仪的选择性，可是仪器的测量灵敏度低，要测量ppm级的气体成份必需有较长的气室。
80年代以来，红外气体分析技术在不断地完善，关于一些问题，如精准测量低浓度气体，提高仪器抗干扰性等，人们正在寻求解决的方式。
随着现代化技术的不断进展，电子运算机技术在红外吸收光谱分析中发挥了重要作用，不但用来数据处置，记录分析结果，通过求解线性方程对多组分混合物进行定量分析，而且承担红外气体分析仪的其它许多自动化、多功能的任务。
使仪器的性能大大提高【3】。
尾气分析仪的进展，此刻国际上正朝着多参数、智能化，高精度、便携式及长期稳固性方向进展。
瑞典汽车故障诊断设备公司生产的“MULTI—GAS—PRO”五气分析仪，英国凯恩梅公司生产的AUTO系列二气，四气及五气分析仪，美国OTC公司生产的五气分析仪等。
它们都具有小型化，交直流两用供电，可多参数测量，数据精准等优势。
我国红外气体分析仪技术进展现状
很长时刻以来，中国汽车维修市场对尾气分析仪的重视程度不高，这与中国汽车工业的进展和环保政策是息息相关的。
尾气分析仪的两大要紧功用即辅助诊断和尾气检测对七八十年代的中国汽车市场来讲，并未受到足够的熟悉。
由于那时占绝对数量的化油器式汽车结构都比较简单，尾气分析仪的诊断作用很少派上用处。
那时尾气分析仪产品也比较单一，要紧用于怠速工况的检测，而且国内相关生产厂家也少之又少。
而环保方面对汽车尾气排放也没有相应的法规要求，尾气分析仪的检测作用在检测和维修企业也没有得以推行应用。
九十年代，随着汽车技术的迅猛进展和维修技术的升级转变，很多汽车厂家要求特约维修站将尾气分析仪作为诊断工具在发动机的故障诊断中应用。
尾气分析仪为诊断维修结构复杂的现代汽车带来了极大的便利，很多维修企业都开始引进尾气分析仪，以适应现代汽车维修的需要。
同时，人们对汽车尾气排放造成的环境污染日趋重视，依照环保法规要求，汽车必需按期进行尾气检测。
通过十几年的进展，尾气分析仪的技术愈来愈先进。
绝大多数产品采纳与国际市场同水平的先进检测技术（含入口），别离为怠速法、双怠速法、ASM（简称单加速模拟工况法）和工况法的测试标准【4】。
尽管如此，我国红外汽车尾气分析仪技术水平与国外还存在专门大差距。
这要紧表现为：
红外气体分析理论的基础研究不完善、不系统、不深切：
产品受环境阻碍比较严峻；
靠得住性差；
自动他水平低；
智能化水平低；
某些高性能产品没有独立知识产权等。
国外的入口尾气分析仪设备的年销售量约占国内分析仪市场的份额的50%。
目前市场上有二气分析仪、三气分析仪、四气分析仪、和五气分析仪四种。
因为一样情形下三气分析仪就能够知足大体的检测检测需求，因此咱们通经常使用选用三气检测分析仪。
本课题仅讨论研究三气分析仪。
要紧研究内容
本课题是在当前汽车尾气污染的不断加重和汽车尾气检测标准愈来愈高的形势下提出的，综合比较国内外进展的基础上设计一套基于非分光红外吸收技术的尾气分析系统，该系统操作简单，能够测量尾气中有害成份CO、CO2和HC的浓度。
针对目前系统标定的各类不足设计一套装置，该装置操作简单，在保证标定精度的同时，既降低了标定本钱又提高了标定的效率。
目前尾气检测多采纳微操纵器作为核心处置器，本系统运用高性能的数据搜集设备，准确靠得住的搜集检测数据，并利用虚拟仪器的思想进行软件系统的设计，设计出的系统软件界面简单，操作方便，有很强的扩张性，软件的修改更新也超级方便，大大提高了系统的可操作性和进展性。
下面介绍一下本论文的要紧工作内容：
1．分析红外辐射的特性，确信了利用CO、CO2和HC在中红外光区的吸收光谱进行检测。
尾气中的成份比较多，其中O2、N2为同核双原子分子，不具有红外活性，因此在中红外（3μm～5μm）区域无红外吸收。
二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）等气体对红外线特定的波长有选择吸收，因此能够利用各个成份的不同的吸收谱线位置来测定含量。
通过对检测方式的分析比较最终确信采纳非分光红外检测技术，并依照该技术进行了理论分析。
通过红外吸收光谱的理论和气体的红外吸收光谱分析，依照CO、CO2和HC的吸收不同确信CO、CO2和HC的特点吸收峰。
2．提出系统方案，依照方案确信系统部件。
第一，挑选一款适宜的红外气体检测仪（红外气体传感器），完成对汽车尾气中所要检测气体组份的数据搜集。
第二，设计完成红外气体分析仪输出信号的调理电路，包括信号的转换电路、信号的放大电路、信号的抗干扰滤波电路等的设计。
再次，选择一款数据搜集卡完成其与运算机和输入信号的连接，并在在上为运算机中利用LabVIEW软件完成对数据搜集卡的相关配置。
最后，编写相关的应用软件。
3．分析虚拟仪器技术的特点和进展，利用NI公司的LabVIEW作为软件平台完成系统软件的设计。
按模块功能设计软件包括：
数据搜集模块，系统标定模块和各气体组分浓度的显示界面。
本章小结
本章第一回忆了汽车红外分析检测技术的目的和意义，介绍了其在国内外进展的研究和进展现状，论述了汽车尾气检测的必要性。
最后，提出了该课题的要紧研究内容和涉及到的技术问题。
2汽车尾气成份分析及检测原理
汽车尾气的成份及危害
汽车尾气中有水蒸气、O2、H2、N2、CO2、CO、HC化合物、NOx、SO2、微粒物质等，其中把对人体有害和阻碍自然环境增加的成份称为污染物，有CO2、CO、HC化合物、NOx、SO2、微粒物质等。
本文仅对课题中需要检测的CO、HC、CO2、三种气体作如下分析：
CO是燃料不完全燃烧的产物，当发动机混合气过浓或燃烧质量不佳时，易生成CO而从排气管排出。
专门是发动机怠速时，混合气供给偏浓，发动机工作循环中的气体压力和温度不高，燃烧速度减慢，因不完全燃烧所生成的CO浓度增高；
发动机在加速进程中供给较浓混合气，或因点火过度推延补燃增多时，均会使CO的排放量增加。
CO进入人体后极易与血红蛋白结合，可使血液携带氧的能力降低而引发缺氧。
CO被人体吸收后会令人感觉恶心、头晕及疲劳，严峻时会令人窒息死亡。
2.HC
汽车尾气中的HC是多种碳氢化合物的总称，是发动机未燃尽的燃料分解或供油系中燃料的蒸发所产生的气体。
汽车排放污染物中，HC的20％～25％来自曲轴箱窜气，20％来自化油器和燃油箱中的蒸发，其余那么由发动机排气管排出。
单独的HC只有在浓度高的情形下才会对人体产生阻碍，一样情形下作用不大。
但HC能引发光化学反映生成光化学氧化剂，且生成甲醛，形成烟雾，对人的眼、鼻和喉咙粘膜有较强的刺激作用，严峻时可致癌【5】。
其中约30％来自汽车尾气。
CO2为无色无毒气体，对人体无直接危害，但大气中CO2的大幅度增加，因其对红外热辐射的吸收而形成的温室效应，会使全世界气温上升、南北极冰层溶化；
海平面上升；
大陆腹地沙漠趋势加重，令人类和动植物赖以生存的生态环境受到破坏。
汽车尾气检测原理
目前汽车尾气分析仪最经常使用的测试原理有：
不分光红外线分析原理（NDIR）、电化学原理、氢火焰离子化法（FID）。
依照不同的原理，就相应有不同结构的传感器，别离适合测试不同气体成份。
用不分光红外分析（NDIR）
NDIR是英文Non．DispersiveInfraredAnalyzer的简称，是目前测定CO的最好的方式。
其测量上限为100％，下限可进行微量（
级）分析；
在必然的量程范围内，即便气体浓度有极小转变也能检测出来；
当CO排放浓度较高时，尾气中干扰成份对测定值的阻碍可略去不计：
采纳持续取样系统，能观看随发动机运转条件转变而引发的排气成份的转变。
NDIR还可测量HC化合物、CO2等气体。
不分光红外吸收法（NDIR）的特点是，仪器结构简单、反映速度快、测量精度高、操作简便、寿命长、运行费用低，可用于分析测试CO、CO2、HC、NOx等气体的浓度。
1.大体检测原理
NDIR法的是成立在惰性气体不吸收红外线能量，而异原子组成的气体如汽车尾气中的CO、HC、CO2等均能吸收必然波长的红外线能量的基础上。
其吸收能量的红外线波长称为特点波长，吸收强度用吸收系数反映。
当红外线通过气体时，由于气体对红外线波段中特点波长红外线能量的吸收，红外线的能量将减少，其减少量
与气体浓度C、气体室厚度，和吸收系数K有关，服从朗伯一比尔（Lambert—Beer）定律【6】，即：
（2-1）
式中：
E0入射红外线能量；
E：
出射红外线能量。
汽车尾气中不同气体的特点波长和吸收系数见表2-1。
表2-1不同气体的特点波长和吸收系数
Table2-1thecharacteristicsofdifferentgaseswavelengthandabsorptioncoefficient
气体种类
CO
CO2
CH4
C6H14
NO
特征波长（μm）
吸收系数K
110
60
90
不分光红外分析仪，可测量CO、CO2、CH4、C6H14、NO等多种气体成份，固然测量时需在检测室内充入相应的气体。
汽车排放法规中一样规定不分光红外分析仪只用于检测CO和CO2，但由于它的便携性，故也被普遍用于怠速时的HC的检测。
在测定HC时，检测室内密封正己烷，其测定的结果以相当于正己烷的浓度来表示，发动机排气中有上百种HC，而这种仪器只能检测某一波长段的HC。
该分析仪，对饱和烃灵敏，而对非饱和烃和芳香烃不灵敏，因此，其测量结果要紧反映了饱和烃的含量，而不代表排气中各类烃类的总含量。
故在要求高精度测量时，不分光红外分析仪不能用来测量HC【7】。
2.红外气体分析装置结构原理图
依照上述原理制成的红外气体传感器如图2-1所示。
图2-1红外式气体传感器结构示用意
Figure2-1InfraredGasAnalyzerSchematic
红外线光源发出的红外线的波长在2μm～7μm间，红外线通过取样室后，通过旋转的红外滤光片（红外滤光片分CO、CO2、HC和基准信号四个光片组成）抵达热电堆产生电信号，当旋转的红外滤光片旋转一周，CO、CO2、HC和基准信号四个滤光片别离通过取样室下方一次，如此在热电堆上产生两个正半周期的正弦波形幅值在0mV～1mV。
气体的浓度越高，波形幅值越小，反之越大。
依照通入气体前后的幅值转变，能够取得尾气各组分含量的检测结果。
电化学法
电化学法可用于测量O2、NO、SO2等。
应用该方式的检测器结构小巧简单、价钱低廉、易于改换，可是寿命短，因为检测器是电化学式的，属消耗性的，寿命多为两年之内。
当有气体通过时会输出与气体浓度成良好线性的电压或电流信号，通过必然的电路处置输送给显示器。
下面给出氧传感器利用电化学法检测O2浓度的原型。
具有对称结构，振动中偶极矩不发生转变的气体，如氧气（O2）、氮气（N2），由于不存在红外特点波长，就不能采纳不分光红外吸收法（NDIR）进行测量。
汽车尾气分析用氧电化学传感器为金属．气体扩散限制型，氧传感器结构由阳极电解液和阴极气体组成，在阴极氧气转化为氢氧根离子（
）：
（2-2）
在阳极氢氧根离子与金属铅（Pb）反映生成金属氧化物：
（2-3）
依照法拉第定律，产生的电流与氧气（O2）的反映量成正比，将电流值转换电压信号，测量后就可取得氧气的体积分数。
在实际应用中由于氧传感器的电信号受气体扩散率的阻碍，外界压力的转变会引发氧气分压的改变，输出电压号也会随之转变。
经实验其输出的电压信号与环境压力之间的关系是线性的，以在仪器气路设计时，要尽可能将氧传感器安装在仪器的出气口，使该处的气体压力与环境大气的压力尽可能接近以取得稳固靠得住的输出结果。
由于温度对氧传感器的输出具有必然的阻碍，氧传感器内部一样内置有温度校正电路，以排除温度转变的阻碍，通过温度校正，温度转变对输出信号大体不产生阻碍。
氧传感器的设计寿命，在空气20℃左右时，大约为2年。
正常情形时可稳固地输出9mV～13mV的电压值，在仪器中应用的典型的漂移值每一年低于5％，即在1个大气压的空气中，输出为12mV的传感器在寿命终止时的输出信号仍大于10mV。
氧传感器的寿命由与氧气接触的反映量决定，较高的温度和氧浓度会增加传感器的输出，从而缩短其有效时刻。
寿命接近终止时，传感器在空气中的输出信号会迅速地降为10mV。
这能够作为判定氧传感器失效的标志。
2．2．3其它方式
氢火焰离子化法用于HC的测量，它的输出与碳原子数成良好线性关系，具有测试精度高、反映快、结构简单、易保护的优势，多用于高精度测量实验。
此类仪器能够持续长时刻工作，可是配套价钱昂贵。
目前在国内要紧用于汽车与发动机的研究开发、汽车与摩托车生产一致性认证与检查。
化学发光法要紧用于分析测试NO、NOx等成份。
它一样具有灵敏度高、反映速度快、线性度好等特点，其它那么类似氢火焰离子化法。
因此，各国权威机构普遍推荐的发动机排气分析的标准方式是：
用氢火焰离子化法分析HC，用不分光红外吸收法分析CO、CO2，用磁压法或氧化锆法分析排放尾气中的氧，用化学发光法分析NO、NOx。
国外的研究中还有利用声光检测汽车尾气的，J．Cihelka等人更为关注光谱的分析，给出了最适合的工作频域，M．MtCulloch等人那么研究利用线形调频脉冲光谱仪实时检测汽车尾气。
2．3尾气排放的检测方式
我国的机动车操纵排放采取的线路是：
对汽油车先实行“怠速法”操纵，再实施“强制装置法”，即对曲轴箱排放和燃油蒸发进行操纵，最后实行工况法操纵；
对柴油车那么是先实行“自由加速法”及“全负荷法一操纵烟度，然后再实施工况法。
国家相关法规中有如下排放检测方式【8】。
2．3．1怠速法
怠速法是机动车空挡静止在怠速下测试其排放尾气的各类成份，结果均是浓度值。
空挡静止状态是：
将发动机置于无负载运转状态，即聚散器处于接合位置，变速器处于空挡位置（关于自动变速箱的车处于“停车”或“P”档位）；
采纳化油器供油系统的车，阻风门处于全开位置，油门踏板处于完全松开位置【9】。
测量汽车怠速污染物浓度的目的是判定汽车发动机燃烧是不是抵达正常，从而降低油耗和排放。
测量前，先将发动机的冷却水和润滑油的温度达到汽车利用说明书所规定的“热状态"
，并按规定进行怠速调整，然后将发动机由怠速工况加速至倍额定转速下，维持60秒后降至怠速状态，再将排气分析仪的取样探头插入排气管中400mm并固定，发动机在怠速状态维持15秒后开始读数据，取30秒内的最高值和最低值，其平均值即为测量结果。
怠速法是我国初期排放标准中采纳的一种方式，相较于双怠速法、模拟工况法来讲，检测要求并非严格，国III标准等测试规程已经不采纳这类检测方式。
2．3．2双怠速法
双怠速法是机动车空挡静止通太高怠速、低怠速测试其排放尾气的各类成份，结果均是浓度值。
双怠速法方式增加了一个高怠速检测点和空燃比（又称过量空气系数）λ的监测，通过对λ的解读，能够判定催化转化器是不是在正常状态。
尽管不能完全反映机动车的实际运行状况，但其操作简单、快捷和费用低廉而被普遍应用【10】。
依照法规要求，双怠速测量的具体检测流程是：
1．高怠速测量废气：
发动机从怠速状态加速至70％额定转速运转30s后，用油门踏板将发动机转速稳固操纵在50％额定功率转速或制造厂技术文件中规定的高怠速转速。
将取样探头插入排气管，深度等于400mm，并固定于排气管上，发动机在高怠速范围内维持15s后，由分析仪读出测量平均值。
2．低怠速测量：
在高怠速测量终止后，切换到低怠速测量，发动机从高怠速状态降至怠速状态并在怠速状态维持15s后开始读数。
3．注意事项
GBl8285—2005中规定的高怠速转速为：
（2500+100）r／min【11】。
2．3．3简易工况法
简易工况法（ASM）是机动车在测功机上按特定低速／高速工况标准模拟在道路上运行，测试其排放尾气的各类成份，各成份的分析结果是浓度或质量。
简而言之，简易工况法确实是利用专业设备，使汽车可在维持位置不也得前提瞎动模拟在路面实际的匀速行驶状况，并通过仪器设定，给汽车相应的加载量，模拟汽车在载重或爬坡是的状态，再检测这段时刻汽车的尾气排放情形【12】。
利用ASM对汽车尾气进行检测可分为两种状态，别离称为“5024”和“2540”。
5024指的是对汽车依照发动机储蓄功率的50％进行加载，速度为24km／h，检测90秒；
2540指的是对汽车依照发动机储蓄功率的25％进行加载，速度为40km／h，检测90秒。
检测时若是第一种状态达标，第二种状态可免试，两种状态检测时刻共为6分钟，如图2-4所示。
图2-2ASM测试流程图
Figure2-2ASMtestflowchart
2．3．4瞬态排放检测
在大、中型城市，致使城区大气低层的污染以机动车为首要污染源，机动车行驶也以非稳态工况为主。
目前国内外均未指定瞬态排放测试法规，而是在汽油机稳态运转时通过测量排放数据对其排放状况进行评判。
在国家自然科学基金项目“基于符号时刻序列方式的汽油机瞬态排放特点分析”中，提出一种瞬态工况下汽车尾气排放检测的方式。
汽油机瞬态排放检测技术能够分为间接测量和直接测量两种：
间接测量是基于稳态势所用的排放取样技术和常规分析仪器测量瞬态排放数据。
有必然的时刻滞后和幅值畸变。
适用于对瞬态进程的排放转变规律精度要求不太高的场合，同时又有可能提供一种较为工程化的瞬态排放间接测量手腕。
直接测量是基于快速排放取样技术和高采样频率的分析仪器。
依照排放取样部位的不同有缸内测量和排气管测量两类。
稳态工况时由于受管道流动阻力和分析仪器机理的限
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